I NUMERI REALI SONO ASTRATTI

Documenti analoghi
Analisi e Modelli Matematici

Università degli Studi di Palermo Facoltà di Economia. Dipartimento di Scienze Economiche, Aziendali e Statistiche. Appunti del corso di Matematica

Insiemi Numerici. 1 I Numeri Naturali: definizione assiomatica

La cardinalità di Q e R

Università degli Studi di Palermo Facoltà di Economia. CdS Sviluppo Economico e Cooperazione Internazionale. Appunti del corso di Matematica

Giulio Del Corso. Attenzione:

Numeri Reali. Itinerario storico concettuale verso la definizione di nuovi numeri. per la 2 K del Liceo Classico Alexis Carrel

Appunti del corso Fondamenti di Analisi e Didattica

APPUNTI DI TEORIA DEGLI INSIEMI. L assioma della scelta e il lemma di Zorn Sia {A i } i I

DISPENSE SU TEORIA DEGLI INSIEMI E NUMERI

Matematica 1 per Ottici e Orafi. I Numeri Reali

Corso di Analisi Matematica I numeri reali

RELAZIONI, FUNZIONI, INSIEMI NUMERICI. 1. Relazioni. Siano X e Y due insiemi non vuoti. Si definisce il prodotto cartesiano

2. I numeri reali e le funzioni di variabile reale

Lezioni di ISTITUZIONI di MATEMATICA (gruppo 3)

Che cos è un insieme? Come si individua un insieme? 1. Scrivendone esplicitamente gli elementi: C = {2, 4, 6, 8, 10,...}.

Programma del corso di Analisi Matematica 1 Corso di Laurea in Matematica Prof. A. Garroni - Canale Dl-Pa

La teoria degli insiemi

Richiami sugli insiemi numerici

CORSO DI AZZERAMENTO DI MATEMATICA

I numeri reali secondo Cantor

Matematica e Statistica per Scienze Ambientali

1 Numeri reali. Esercizi.

Gli insiemi N, Z e Q. I numeri naturali

I NUMERI. Si dice "radice quadrata" di un numero positivo a, quel numero positivo b che elevato al quadrato dà come risultato a.

Concentriamo la nostra attenzione sull insieme dei numeri razionali Q. In Q sono definite

Complemento 1 Gli insiemi N, Z e Q

L aritmetica degli insiemi infiniti Parte I

COSTRUZIONE ASSIOMATICA DEI NUMERI REALI

Insiemi, Numeri, Terminologia. Prof. Simone Sbaraglia

Sommario. 1. Che cos è la matematica? Numeri naturali e sistemi di numerazione 23

29 Aprile Università degli Studi di Firenze Scuola di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali. Corrispondenza tra geometria sintetica e

PROGRAMMA CONSUNTIVO

Matematica. Corso integrato di. per le scienze naturali ed applicate. Materiale integrativo. Paolo Baiti 1 Lorenzo Freddi 1

INSIEMI E RELAZIONI. 1. Insiemi e operazioni su di essi

Insiemi uguali? biiezione : A B bambino i libro i bambino ii libro ii bambino iii libro iii bambino iv libro iv

Osservazione 1.1 Si verifica facilmente che esiste un unica relazione d ordine totale su Q che lo renda un campo ordinato.

L ipotesi del continuo Testo per il video

Matematica ed Elementi di Statistica. L insieme dei numeri reali

Corso base di Matematica. - I numeri -

Assiomi della Geometria elementare

Precorso di Matematica

18 gennaio marzo Primo Incontro. I numeri. Incontri con allievi del Liceo Classico. Luisa Rossi Costa

Appunti del Corso Analisi 1

LICEO B. RUSSELL A.S. 2012/2013 INSIEMI INFINITI

A.A. 2011/12 CORSO DI ANALISI MATEMATICA 10 crediti, I semestre

16 gennaio Primo Incontro. I numeri. Incontri con allievi del Liceo Classico. Luisa Rossi Costa

Introduzione storica

Logica. Claudio Sacerdoti Coen 09,11/10/ : Relazioni, Funzioni,... Universitá di Bologna. Claudio Sacerdoti Coen

L insieme dei numeri reali

Dimostrazione. Indichiamo con α e β (finiti o infiniti) gli estremi dell intervallo I. Poniamo

Prima lezione. Gilberto Bini. 16 Dicembre 2006

Appunti di Algebra. Sonia L Innocente. Corso di Laurea Matematica e Aplicazioni. Secondo Argomento Teoria degli Insiemi. a.a.

Numeri Aritmetica e Numerazione

Note sugli insiemi. Alberto Zanardo. Febbraio 2003

Teoria ingenua degli insiemi

ISTITUZIONI DI MATEMATICHE E FONDAMENTI DI BIOSTATISTICA. 2. Insiemi numerici A. A

Massimo Bergamini, Graziella Barozzi - Matematica multimediale.azzurro con Tutor, Zanichelli

GLI INSIEMI NUMERICI N Z Q R -C. Prof.ssa Maddalena Dominijanni

Introduzione alla TEORIA DEI NUMERI

NUMERI REALI. x(y + z) = xy + xz. Nel seguito faremo uso delle seguenti notazioni. IR+ 0 = {x IR : 0 x} IR 0 = {x IR : 0 x}

Cantor e l infinito Riccardo Cristoferi

Gli insiemi numerici

Analisi Matematica 1

Matematica per le scienze sociali Elementi di base. Francesco Lagona

Materiale coperto nel corso di Analisi Matematica 1 Ingegneria, docente S. Cuccagna A.A

Il sistema dei numeri reali

Dimostrazione: Data una allora non appartiene all immagine. Se per

Cardinalità di Insiemi

PROGRAMMA di Analisi Matematica 1 A.A , canale 3, prof.: Francesca Albertini Ingegneria area dell Informazione

SPAZI TOPOLOGICI. La nozione di spazio topologico è più generale di quella di spazio metrizzabile.

Insiemi numerici. Definizioni

INSIEMI. Se X è un insieme, indichiamo con P(X) l insieme dei sottoinsiemi di X (sono elementi di P(X) anche e X).

La teoria degli insiemi di CANTOR e l ARITMETICA TRANSFINITA

Insiemi di numeri reali

Gli insiemi e le relazioni. Elementi di logica

INSIEMI ED INSIEMI NUMERICI Prof. Erasmo Modica

1 Principio di Induzione

Corso di Analisi Matematica. L insieme dei numeri reali

Corso di Laurea in Ingegneria, Settore Informazione (gruppi 2-3), A.A. 2007/2008 Docente: Antonio Ponno

ANALISI MATEMATICA A CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN MATEMATICA 15 CF A.A

Teoria degli Insiemi

algebra: insiemi numerici N e Q +, proprietà operazioni e calcolo linguaggio degli insiemi

Insiemi infiniti e loro gerarchia Sergio Zoccante CDRM,

DAI NUMERI NATURALI AI NUMERI REALI

Corso di laurea: Ingegneria Civile Programma di Fondamenti di Analisi Matematica I a.a. 2011/2012 Docenti: Fabio Paronetto e Fabio Ancona

Funzioni Esercizi e complementi

Numeri naturali ed operazioni con essi

Numeri reali. 1.1 Dai numeri naturali ai numeri irrazionali

Unità Didattica N 2 Le Funzioni Univoche Sintesi 1

Analisi Matematica 1 A.A. 2017/18

Indice. 1 Analisi matematica dell infinito Concetti base La numerabilità di Q e la non numerabilità di R... 5

1 Richiami di logica matematica

01 - Elementi di Teoria degli Insiemi

Teoria degli insiemi

Richiami di Matematica. 1. Insiemi, relazioni, funzioni. 2. Cardinalitá degli insiemi infiniti e numerabilitá. 3. Notazione asintotica.

DAI NUMERI NATURALI AI NUMERI RAZIONALI

IST. MAT. SFP 2015/2016-ESERCIZI

Ordinali e cardinali Teoria assiomatica non formalizzata degli insiemi a cura di Franco Montagna

COMPLETEZZA DELL INSIEME DEI NUMERI REALI R.

Transcript:

I NUMERI REALI SONO ASTRATTI L idea di numero, che ci sembra così evidente, è il punto d arrivo di un lunghissimo lavoro di astrazione D. Guedj Ogni misura di grandezza implica una nozione approssimativa di numero reale N. Bourbaki 1

Il concetto di numero reale Un problema rimasto aperto per più di 2300 anni: già presente nella cultura matematica degli antichi Greci, troverà una soluzione soddisfacente solo in epoca moderna, dopo lo sviluppo dei metodi del Calcolo infinitesimale 2

I matematici dell antica Grecia avevano raggiunto livelli di conoscenze notevolmente avanzati sia per quanto riguarda la Geometria sia per quanto riguarda la teoria dei numeri: numeri razionali (positivi) struttura algebrica struttura di ordine loro compatibilità 3

4

Scuola Pitagorica (500/400 a.c.) Scoperta dell esistenza di grandezze incommensurabili (Ippaso di Metaponto) Dimostrazione dell irrazionalità di 2 Supponiamo per assurdo che esistano due numeri interi p e q, primi fra loro, tali che 2 = p q ovvero 2q2 = p 2 Ne segue che p è pari. Quindi p = 2k per qualche intero k. Sostituendo e semplificando si ottiene q 2 = 2k 2 da cui si deduce che anche q è pari, in contraddizione con il fatto che p e q erano stati presi coprimi. 5

Quant è grave la falla? Irrazionalità di n per ogni n N che non sia un quadrato perfetto Irrazionalità del numero e di Nepero: Eulero (1737) Irrazionalità di π: Lambert (1761) Irrazionalità di π 2 : Legendre (1794) 6

Come rimediare? Estendere l insieme dei numeri razionali in modo da ottenere un nuovo concetto di numero abbastanza potente da poter essere utilizzato per misurare tutte le quantità rilevanti della geometria e della fisica, mantenendo al contempo le proprietà formali (struttura algebrica, struttura di ordine, loro compatibilità). 7

Soluzioni ingenue Completamento algebrico Esistenza di numeri non algebrici Liouville (1844): trascendenza di α = 0, 110001000000000000000001... Hermite (1873): trascendenza di e Lindemann (1882): trascendenza di π 8

Completamento geometrico sposta il problema Allineamenti decimali infiniti non periodici Come definire somma e prodotto? 9

Lo sviluppo dell analisi matematica CAUCHY, DEDEKIND, CANTOR 10

Soluzioni costruttive metodo delle successioni fondamentali metodo delle sezioni metodo delle classi separate e contigue 11

Cauchy (1789-1857) [Méray, Cantor]: costruzione dei numeri reali col metodo delle successioni fondamentali Una successione {x n } di numeri razionali si dice fondamentale se r > 0 N > 0 tale che n, m N x n x m < r Due successioni fondamentali {x n }, {u n } si dicono equivalenti se r > 0 N > 0 tale che n N x n u n < r Definizione Dicesi numero reale ogni classe di equivalenza di successioni fondamentali in Q. Struttura algebrica Struttura di ordine 12

Dedekind (1831-1916): costruzione dei numeri reali col metodo delle sezioni Una coppia ordinata (A, B) di sottoinsiemi non vuoti di Q costituisce una sezione se (1) A B = Q (2) per ogni a A e ogni b B, a < b (3) se c Q tale che a c b per ogni a A e ogni b B, allora c B Definizione Dicesi numero reale ogni sezione di Q. Struttura algebrica Struttura di ordine 13

Cantor (1845-1918): costruzione dei numeri reali col metodo delle classi separate e contigue Due sottoinsiemi A, B non vuoti di Q costituiscono una coppia di classi separate e contigue se (1) per ogni a A e ogni b B, a < b (2) r > 0 a A e b B tali che b a < r Definizione Dicesi numero reale ogni coppia di classi separate e contigue in Q. Struttura algebrica Struttura di ordine 14

Le geometrie non euclidee 15

L impostazione assiomatica Peano (1858-1932) Sistema di assiomi per i numeri naturali Hilbert (1862-1943) I numeri reali sono un insieme R contenente N e sul quale sono definite una struttura algebrica di campo (addizione e moltiplicazione), una struttura di ordine (compatibili) e un assioma di completezza (o di continuità). Qual è la forma più appropriata per esprimere l assioma di completezza? Trasformare in assiomi una delle definizioni precedenti 16

Assioma (Cauchy) Ogni successione fondamentale in R ammette limite Assioma (Dedekind) Per ogni sezione (A, B) in R esiste c R tale che a c b per ogni a A e ogni b B Assioma (Cantor) Per ogni coppia di classi separate e contingue A, B di R esiste c R tale che a c b per ogni a A e ogni b B (elemento separatore) Purtroppo, questi assiomi, così formulati, non sono equivalenti 17

Un esempio di natura geometrica: la retta di Veronese (1854-1917) 18

a b A B Ordinamento, Confronto tra segmenti (congruenza) Re-interpretazione della nozione di classi contigue: se per ogni segmento I esistono b B e a A tali che il segmento ab è più corto di I Gli assiomi di Cauchy e Cantor valgono L assioma di Dedekind no A e B non sono classi contigue, ma sono sezioni 19

Principio di Eudosso-Archimede Per ogni coppia di numeri reali a, b tali che 0 < a < b esiste un numero naturale n tale che na > b Assioma delle sezioni = 1) Assioma delle successioni fondamentali 2) Assioma delle classi separate e contigue 3) Principio di Eudosso-Archimede Assioma delle successioni fondamentali + Principio di Eudosso-Archimede = Assioma delle sezioni Assioma delle classi separate e contigue + Principio di Eudosso-Archimede = Assioma delle sezioni 20

Principio di esistenza del sup Siano A R non vuoto, e m R. Dico che m è una limitazione superiore per A se a A si ha a m. Dico che A è superiormente limitato se l insieme M formato da tutte le limitazioni superiori di A è non vuoto. Assioma. Qualunque sia A R non vuoto e superiormente limitato, esiste m M tale che m m, m M. m si dice l estremo superiore di A e si scrive m = sup A Il Principio di esistenza del sup è equivalente all assioma delle sezioni 21

Unicità di R Ogni campo totalmente ordinato, archimedeo, continuo, è isomorfo a R. continuo = privo di primo e ultimo elemento, denso, privo di lacune 22

R è più grande di Q. Ma quanto? 23

CARDINALITÀ Il concetto di infinito nell antichità Infinito attuale: i paradossi di Zenone di Elea Infinito potenziale: lo sviluppo dell Analisi Matematica (Cauchy, Weierstrass) 24

Distinguere il finito dall infinito Definizione A è infinito se esiste una corrispondenza biunivoca A B dove B è sottoinsieme proprio di A. Esempi N {numeri quadrati} N {numeri pari} Definizione A è finito se non è infinito 25

Se A è finito, n N : A {1, 2,..., n} Definizione n = numero cardinale = A Proprietà 1. Se esiste una funzione iniettiva A B allora A B. Proprietà 2. Se esiste una corrispondenza biunivoca A B allora A = B. Il numero cardinale si può pensare come un indice della numerosità. Esso caratterizza tutta una classe di insiemi. 26

Riassumendo, sappiamo confrontare insiemi finiti, e inoltre sappiamo riconoscere il finito e l infinito. Ma......come distinguere gli insiemi infiniti?...è possibile definire la cardinalità di insiemi infiniti, in modo da conservare le Proprietà 1 e 2?...esistono infiniti diversi? 27

Distinguere tra infinito e infinito Indichiamo ℵ 0 = N (cardinalità del numerabile). È chiaro che ℵ 0 > n n N....esistono cardinalità > ℵ 0? Esiste una funzione f : N Q iniettiva. Quindi, ℵ 0 Q 28

Teorema Esiste una corrispondenza biunivoca tra N e N 2 (1, 1) (1, 2) (1, 3) (1, 4)... (2, 1) (2, 2) (2, 3) (2, 4)... (3, 1) (3, 2) (3, 3) (3, 4)... (4, 1) (4, 2) (4, 3) (4, 4).................. Corollario Esiste una funzione f : Q N iniettiva. Quindi, ℵ 0 Q Conclusione: ℵ 0 = Q 29

Esiste una funzione f : N R iniettiva. Quindi, ℵ 0 R Teorema Non esistono corrispondenze biunivoche tra N e R. Quindi, R > ℵ 0 Procedimento diagonale di Cantor a 1 = 0, a 11 a 12 a 13... a 2 = 0, a 21 a 22 a 23... a 3 = 0, a 31 a 32 a 33............ b = 0, b 1 b 2 b 3... con b 1 a 11, b 2 a 22, b 3 a 33 e così via. Indichiamo R = ℵ 1 > ℵ 0 (cardinalità del continuo) 30

...esiste A tale che ℵ 1 < A? Esiste una funzione f : R R 2 iniettiva. Quindi, ℵ 1 R 2 Teorema Esiste una corrispondenza biunivoca tra R e R 2. Quindi R = R 2. α (0, 1) α = 0, a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6... x = 0, a 1 a 3 a 5... y = 0, a 2 a 4 a 6... α (x, y) viceversa... Regola generale per costruire, per ogni dato B, A tale che A > B: A =insieme delle parti di B 31

...esiste A tale che ℵ 0 < A < ℵ 1? Hilbert (1900): ipotesi del continuo Gödel (1940), Cohen (1963): indecidibile all interno del sistema di assiomi di Zermelo- Fraenkel (quello che permette di fondare assiomaticamente la teoria degli insiemi e quindi tutta la matematica senza incorrere in contraddizioni). 32

E. AGAZZI, D. PELLEGRINO, Le geometrie non euclidee, Mondadori 1978 C.B. BOYER, Storia della matematica, Mondadori 1968 U. BARBUTI, Lezioni di Analisi Matematica I, ETS 1975 PIsa N. BOURBAKI, Éléments de Mathématiques, livre III, Topologie Générale Chapitres 5-8, Hermann Paris 1963 N. BOURBAKI, Elementi di storia della matematica, Feltrinelli 1963 33

R. CONTI, Lezioni di Analisi Matematica, Volume primo, CEDAM 1978 F. ENRIQUES, Questioni riguardanti le matematiche elementari, Parte prima, Articolo sesto, Zanichelli 1983 (ristampa) G. GEYMONAT, Lezioni di Analisi Matematica I, Levrotto & Bella, Torino 1981 I. NIVEN, Numeri razionali e numeri irrazionali, Zanichelli 1965 G. PRODI, Analisi matematica, Boringhieri 1970 34